CN113806986B - 一种横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，以解决目前固定网格的界面捕捉方法难以适用于雾化过程，及难以通过仿真技术构造出与燃烧室声学模态一致的大幅值振荡压力场的技术问题。该方法包括以下步骤：1、以喷嘴的中心轴线为中心，沿圆柱形燃烧室径向切面上截取一段环形区域，展开构建一阶横向振型；2、按笛卡尔网格的格式对方形计算域进行空间离散；3、采用树形网格自适应方法，通过设定自适应加密准则，对计算域中网格进行加密；4、通过多尺度仿真算法求解得撞击式喷雾场；5、在与液膜垂直的相对边界上设置声学扰动条件构造一阶横向振荡压力场；6、将一阶横向振荡压力场与撞击式喷雾场耦合求解。

Description

一种横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法

技术领域

本发明涉及撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，具体涉及一种横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法。

背景技术

撞击式喷嘴是液体火箭发动机中广泛应用的喷注雾化单元，其工作原理是借助两束液体射流的相互撞击完成雾化过程，具有结构简单紧凑，响应快，能迅速完成混合和燃烧过程等优点。撞击式喷嘴的雾化过程大致可以分为三个子过程：一是两束射流的喷射；二是射流在撞击点处径向铺展形成液膜；三是液膜在各种不稳定因素的作用下波动破碎形成液丝、液滴。

在撞击式喷注器的研发过程中，燃烧不稳定是经常遇到的技术问题，出现燃烧不稳定时的显著特征是雾化过程出现了与燃烧室固有声学振型一致的大幅值压力振荡。相关研究表明撞击式喷嘴的雾化过程是燃烧不稳定激发与维持的关键因素，因此，研究压力振荡条件下的雾化过程对于揭示喷雾诱发燃烧不稳定机理以及实现燃烧不稳定的主动控制至关重要。

实验研究压力振荡条件下的雾化过程较为困难，主要原因在于通过实验难以构造出与燃烧室固有声学模态一致的大幅值振荡压力场，并且实验的测量诊断方法相对有限，难以获得有效的数据信息。而随着数值模拟技术的发展，计算流体动力学(ComputationalFluid Dynamics，CFD)逐渐应用于三维瞬态雾化过程的求解，一条可行的途径是通过数值模拟取代实验研究压力振荡下的雾化过程。雾化过程涉及多相、多尺度的流动过程，需要处理相界面捕捉的问题，对网格尺度以及时间步长要求很高，传统上采用固定网格的界面捕捉方法难以适用于雾化问题的求解，亟须建立一种精度较高、计算量较小的雾化仿真方法。

研究反压振荡条件下的雾化过程，需要迫切解决的技术问题有：1)如何建立一种雾化过程的仿真方法，可以实现雾化过程准确的求解；2)考虑气相的压缩性与压力波的传播过程，如何构造出与燃烧室声学模态一致的大幅值振荡压力场，并实现振荡压力场与雾化过程的耦合求解。

发明内容

本发明的目的在于解决目前固定网格的界面捕捉方法难以适用于雾化过程，以及无法通过仿真技术构造出与燃烧室声学模态一致的大幅值振荡压力场的技术问题，提出一种横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法。

本发明提供的技术方案为：

一种横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1、基于仿真软件中的撞击式喷嘴，以喷嘴的中心轴线为中心，沿圆柱形燃烧室径向切面上截取一段环形区域，展开使环形计算域转为方形计算域，将计算域中的一阶切向振型转为一阶横向振型；

S2、按照笛卡尔网格的格式对所述方形计算域进行空间离散；

S3、基于步骤S2中空间离散后的计算域，采用树形网格自适应方法，通过设定气液界面网格体积分数大于0小于1时进行加密的自适应加密准则，对计算域中网格进行自适应加密处理；

将自适应加密处理后的网格导入求解软件，通过多尺度仿真算法求解得撞击式喷雾场；

同时基于步骤S2中空间离散后的计算域，设定液膜方向与压力波的传播方向垂直，通过在与液膜垂直的相对边界上设置声学扰动条件构造出一阶横向振荡压力场；

S4、将一阶横向振荡压力场与撞击式喷雾场耦合求解，实现一阶横向振荡压力场下的撞击式喷嘴雾化过程的仿真。

进一步地，步骤S2中，按照笛卡尔网格的格式对计算域进行空间离散具体为：

S2.1利用建模软件生成撞击式喷嘴雾化过程的计算域模型，将所述计算域模型存储为x_t格式的文件并导出；

S2.2将存储计算域模型的x_t格式的文件导入到仿真系统中，通过仿真系统对计算域进行网格划分，形成笛卡尔网格；

S2.3对所述笛卡尔网格中撞击形成液膜所在的核心雾化区域进行初始加密处理，将所述初始加密处理后的笛卡尔网格保存为msh网格文件并导出。

在进行撞击式喷嘴雾化过程中，网格的长宽比对捕捉到的液滴形状有重要影响，提高雾化过程求解精度的重要因素是生成长宽比接近于1的网格，因此，计算域的空间离散选用结构形式的网格长宽比为1的笛卡尔网格，以提高仿真设计的精确性。

进一步地，步骤S3中，所述多尺度仿真算法求解所用的模型包括VOF模型，VOF-to-DPM转化模型，CSF模型，大涡模拟模型与TAB模型。

进一步地，所述VOF模型用于捕捉大块液团并进行求解；

所述VOF-to-DPM转化模型用于将大块液团转化为DPM颗粒并进行求解；

所述TAB模型用于对二次破碎的DPM颗粒进行求解；

所述CSF模型用于对VOF模型捕捉的大块液团表面张力进行求解；

大涡模拟模型用于对撞击式喷嘴雾化过程形成的气液流场中的湍流进行求解，并由大涡模拟模型中的WALE模型对动量方程中的亚网格尺度应力项进行求解。

进一步地，所述步骤S3中，通过在与液膜垂直的相对边界上设置声学扰动条件构造出一阶横向振荡压力场具体为：

将气相视为理想气体，设定一对脉动的质量流入边界，具体表达式为

式(1)与式(2)中为振荡边界的幅值，/>为一个边界随时间变化的流入质量，为相对边界随时间变化的流入质量，f为振荡压力场的频率，/>为相对边界的相位差，时，射流撞击形成液膜恰好位于振荡压力场的压力波腹位置，/>时，射流撞击形成液膜恰好位于振荡压力场的速度波腹位置；压力波传播方向的各壁面设置为滑移壁面边界，出口设置为无反射的压力出口边界。

进一步地，步骤S4中所述将一阶横向振荡压力场与撞击式喷雾场耦合求解为：

采用有限体积方法对一阶横向振荡压力场与撞击式喷雾场构成的流场中连续方程、动量方程及VOF方程进行离散。

进一步地，所述连续方程和动量方程的离散过程具体为：采用一阶隐式格式对时间项进行离散，采用单元体的最小二乘法计算梯度项，采用有界中心差分格式求解对流扩散项；其中，动量方程中的压力、速度的求解采用Coupled算法；

所述VOF方程的离散过程具体为：求解VOF方程的体积分数，基于所述体积分数，采用分段线性的几何重构方法对气液界面进行重构。

本发明的有益效果：

1、本发明采用笛卡尔网格的格式对计算域进行空间离散，并采用树形网格自适应方法，通过设定气液界面网格体积分数大于0小于1时的自适应加密准则，对计算域中网格进行加密处理，解决了目前固定网格的界面捕捉方法难以适用于喷嘴雾化过程的仿真的技术问题。

2、撞击式喷嘴雾化时，当压力波的传播方向与撞击形成液膜的方向垂直时，振荡压力场对于雾化过程的影响最为显著，本发明设定液膜方向与压力波的传播方向垂直，通过在与液膜垂直的相对边界上设置声学扰动条件构造出与一阶切向振型一致的一阶横向振荡压力场，实现了振荡压力环境下撞击式喷嘴雾化过程的数值仿真模拟，可用于研究撞击式喷嘴在驻波压力场中典型位置(压力波腹、速度波腹等)的响应特性，对于构建热声耦合的正反馈机制提供了重要依据，通过进一步揭示燃烧不稳定的正反馈机制，可以为撞击式喷注器的工程设计提供指导。

3、目前，直接构造环形计算域的切向振型很困难，本发明通过在圆柱形燃烧室径向切面上截取一段环形区域，构建方形计算域，将一阶切向振型转为一阶横向振型，以便于在横向振型上施加边界条件，构造出与圆柱形燃烧室的一阶切向振型完全一致的振荡压力场，便于进行撞击式喷嘴的雾化过程的仿真实验研究。

附图说明

图1为本发明多尺度雾化仿真结果实施例示意图；

图2为本发明计算域与定义的各平面实施例示意图；

图3为本发明构造的一阶横向振荡压力场实施例示意图；

图4-图7为图3的分解图，其中，图4为x＝±0.2005m位置的振荡压力，图5为x＝±0.1500375m位置的振荡压力，图6为x＝±0.10025m位置的振荡压力，图7为x＝±0.0500125m位置的振荡压力，m为长度单位米；

图8为本发明横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法的流程示意图；

图9为本发明多尺度仿真算法模型实施例示意图。

具体实施方式

本实施例提供一种横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，参见图8，包括以下步骤：

S1、基于目前直接构造环形计算域的切向振型很困难，本实施例基于仿真软件中的撞击式喷嘴，以喷嘴的中心轴线为中心，沿圆柱形燃烧室径向切面上截取一段环形区域，展开使环形计算域转为方形计算域，将计算域中的一阶切向振型转为一阶横向振型，以便于在一阶横向振型基础上构建一阶横向振荡压力场。

S2、在对撞击式喷嘴雾化过程进行仿真过程中，网格的长宽比对捕捉到的液滴形状有重要影响，计算域生成的网格长宽比越接近1，仿真求解精确度越高，笛卡尔网格的长宽比为1，因此，本实施例中按照笛卡尔网格的格式对方形计算域进行空间离散。

对计算域进行空间离散具体过程为：

S2.1利用CAD建模软件Pro/Engineering生成撞击式喷嘴雾化过程的计算域模型，将计算域模型存储为x_t格式的文件并导出；

S2.2将存储计算域模型的x_t格式的文件导入到ANSYS Workbench中mesh模块的Geometry中，通过meshing对计算域进行网格划分，形成笛卡尔网格；

S2.3对笛卡尔网格中撞击形成液膜所在的核心雾化区域进行初始加密处理，将初始加密处理后的笛卡尔网格保存为msh网格文件并导出。

S3、基于步骤S2中空间离散后的计算域，采用树形网格自适应方法，通过设定气液界面网格体积分数大于0小于1时进行加密的自适应加密准则，对计算域中网格进行加密处理；满足加密准则时，则网格自动加密；不满足加密准则时，则网格自动稀疏。

将自适应加密处理后的网格导入ANSYS Fluent求解软件，通过多尺度仿真算法求解得撞击式喷雾场。

参见图9，多尺度仿真算法求解所用的模型包括VOF模型，VOF-to-DPM转化模型，CSF模型，大涡模拟模型与TAB模型。VOF模型用于捕捉大块液团并进行求解；VOF-to-DPM转化模型用于将大块液团转化为DPM颗粒并进行求解，DPM颗粒是指DPM方法形成的颗粒；TAB模型用于对二次破碎的DPM颗粒进行求解；CSF模型用于对VOF模型捕捉的大块液团表面张力进行求解；大涡模拟模型用于对撞击式喷嘴雾化过程形成的气液流场中的湍流求解，并由大涡模拟模型中的WALE模型对动量方程中的亚网格尺度应力项进行求解。

可以理解的是，上述模型为同时进行作业，对撞击式喷嘴雾化过程各个雾化状态进行捕捉求解，以生成撞击式喷嘴雾化过程的仿真结果，参见图1，撞击式喷嘴雾化过程的仿真结果处在x、y、z构成的三维坐标系。通过建立撞击式喷嘴雾化过程的多尺度仿真方法，实现了恒定压力条件下撞击式喷嘴雾化过程较为准确的数值模拟，并显著降低了计算量。

同时，基于步骤S2中空间离散后的计算域，因为当压力波的传播方向与撞击形成液膜的方向垂直时，振荡压力场对于雾化过程的影响最为显著，因此在建模过程中设定液膜方向与压力波的传播方向垂直，通过在与液膜垂直的相对边界上设置声学扰动条件构造出一阶横向振荡压力场。

参见图2，振荡压力场的建立需要考虑气相的压缩性，将气相视为理想气体，采用Fluent UDF设定一对脉动的质量流入边界，具体表达式为

式(1)与式(2)中为振荡边界的幅值，/>为一个边界随时间变化的流入质量，为其相对边界随时间变化的流入质量，f为振荡压力场的频率，/>为相对边界的相位差，/>时，射流撞击形成液膜恰好位于振荡压力场的压力波腹位置，/>时，射流撞击形成液膜恰好位于振荡压力场的速度波腹位置。压力波传播方向的各壁面设置为滑移壁面边界，出口设置为无反射的压力出口边界。

通过上述方法便可以构造出与圆柱形燃烧室的一阶切向振型完全一致的振荡压力场，参见图3-图7，其中，x为图1三维坐标系中x轴，x＝0处为液膜所在的位置，压力波节对应速度波腹，压力波腹对应速度波节，越靠近液膜位置，振荡压力的幅值越低，越远离液膜位置，则振荡压力幅值越高。

S4、将一阶横向振荡压力场与撞击式喷雾场耦合求解，实现一阶横向振荡压力场下的撞击式喷嘴雾化过程的仿真求解。

具体的，耦合求解采用有限体积方法对一阶横向振荡压力场与撞击式喷雾场构成的流场中连续方程、动量方程及VOF方程进行离散。

对连续方程和动量方程的离散过程具体为：采用一阶隐式格式对时间项进行离散，采用单元体的最小二乘法计算梯度项，采用有界中心差分格式求解对流扩散项；其中，动量方程中的压力、速度的求解采用Coupled算法；

对VOF方程的离散过程具体为：求解VOF方程的体积分数，基于所述体积分数，采用分段线性的几何重构方法对气液界面进行重构。

Claims (7)

1.一种横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于仿真软件中的撞击式喷嘴，以喷嘴的中心轴线为中心，在圆柱形燃烧室径向切面上截取一段环形区域，展开使环形计算域转为方形计算域，将计算域中的一阶切向振型转为一阶横向振型；

S2、按照笛卡尔网格的格式对所述方形计算域进行空间离散；

S3、基于步骤S2中空间离散后的计算域，采用树形网格自适应方法，通过设定气液界面网格体积分数大于0小于1时进行加密的自适应加密准则，对计算域中网格进行自适应加密处理；将自适应加密处理后的网格导入求解软件，通过多尺度仿真算法求解得撞击式喷雾场；

同时，基于步骤S2中空间离散后的计算域，设定液膜方向与压力波的传播方向垂直，通过在与液膜垂直的相对边界上设置声学扰动条件构造出一阶横向振荡压力场；

S4、将一阶横向振荡压力场与撞击式喷雾场耦合求解，实现一阶横向振荡压力场下的撞击式喷嘴雾化过程的仿真。

2.根据权利要求1所述的横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，其特征在于，步骤S2中，按照笛卡尔网格的格式对计算域进行空间离散具体为：

S2.1利用建模软件生成撞击式喷嘴雾化过程的计算域模型，将所述计算域模型存储为x_t格式的文件并导出；

S2.2将存储计算域模型的x_t格式的文件导入到仿真系统中，通过仿真系统对计算域进行网格划分，形成笛卡尔网格；

S2.3对所述笛卡尔网格中撞击形成液膜所在的核心雾化区域进行初始加密处理，将所述初始加密处理后的笛卡尔网格保存为msh网格文件并导出。

3.根据权利要求1或2所述的横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，其特征在于：

步骤S3中，所述多尺度仿真算法求解所用的模型包括VOF模型，VOF-to-DPM转化模型，CSF模型，大涡模拟模型与TAB模型。

4.根据权利要求3所述的横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，其特征在于：

所述VOF模型用于捕捉大块液团并进行求解；

所述VOF-to-DPM转化模型用于将大块液团转化为DPM颗粒并进行求解；

所述TAB模型用于对二次破碎的DPM颗粒进行求解；

所述CSF模型用于对VOF模型捕捉的大块液团表面张力进行求解；

大涡模拟模型用于对撞击式喷嘴雾化过程形成的气液流场中的湍流求解，并由大涡模拟模型中的WALE模型对动量方程中的亚网格尺度应力项进行求解。

5.根据权利要求4所述的横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过在与液膜垂直的相对边界上设置声学扰动条件构造出一阶横向振荡压力场具体为：

将气相视为理想气体，设定一对脉动的质量流入边界，具体表达式为

式(1)与式(2)中为振荡边界的幅值，/>为一个边界随时间变化的流入质量，/>为相对边界随时间变化的流入质量，f为振荡压力场的频率，/>为相对边界的相位差，/>时，射流撞击形成液膜恰好位于振荡压力场的压力波腹位置，/>时，射流撞击形成液膜恰好位于振荡压力场的速度波腹位置；压力波传播方向的各壁面设置为滑移壁面边界，出口设置为无反射的压力出口边界。

6.根据权利要求5所述的横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，其特征在于，

步骤S4中所述将一阶横向振荡压力场与撞击式喷雾场耦合求解为：

采用有限体积方法对一阶横向振荡压力场与撞击式喷雾场构成的流场中连续方程、动量方程及VOF方程进行离散。

7.根据权利要求6所述的横向振荡压力场下撞击式喷嘴雾化过程的仿真方法，其特征在于，所述连续方程和动量方程的离散过程具体为：采用一阶隐式格式对时间项进行离散，采用单元体的最小二乘法计算梯度项，采用有界中心差分格式求解对流扩散项；其中，动量方程中的压力、速度的求解采用Coupled算法；

所述VOF方程的离散过程具体为：求解VOF方程的体积分数，基于所述体积分数，采用分段线性的几何重构方法对气液界面进行重构。